Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 44
Текст из файла (страница 44)
При этом анализируются как нестационарные (на участке установления), так и квазистационарные характеристики разрушения, определяются их взаимосвязи и справедливость замены первых квазистационарным приближением. Заметим, кстати, что экспериментальные исследования разрушающихся материалов также в основном ограничены условиями обтекания с постоянными параметрами газовых потоков. Стеклообразные материалы отличаются от других покрытий большим разнообразием физических свойств (вязкости, плотности, теплопроводности и т. д.).
Поэтому представляет интерес вопрос о влиянии этих свойств или их отклонения от заданных «эталонных» значений на основные параметры оплавления: суммарную скорость уноса массы бп и температуру разрушающейся поверхности Т . В расчетах предполагалось, что теплоемкость и плотность разных рецептур может отличаться в 2 — 2,5 раза: 1000 (р (2250кг/м', 1,00-(с (2,5кЛж((кг К). Несколько сильнее может отличаться коэффициент теплопроводнозов сти (см. рис.
П-1Ч-11). С ростом температуры он начинает резко увели- Характеристики квааистациоиариого оил с(҄— Т,) = ~ с(Т) 11Т. т, ВМ Зто обстоятельство намного упрощает анализ, поскольку при температурах поОд верхности выше 2300 К теплоемкости с почти всех стеклообразных материалов В в В и и отличаются не более чем на 25%. Хотя скорость уноса массы 6- н температура поверхности Т„слабо зависят от плотности материала р, дг толщины унесенного слоя, определяемой интегральным соотношенне1 т Ю (т) = ~ (6,/р) (т = ~ р (т о о (8-( чиваться, причем тем сильнее, чем прозрачнее материал для тепловог излучения.
У кварцевого стекла величина эффективного коэффициент теплопроводностн может увеличиться по сравнению с табличным пр 273 К в 5 — 7 раз (рис. П-1У-7) . Еще сильнее может изменЯтьсЯ вЯзкость Расплава 1л(Т) (с рнс. П-1Ъ'-28). Известно, что добавление в кварцевое стекло даже 1О 20% примесей (А1гОа, ВаО н т.
д.) может на несколько порядков изм нить абсолютное значение вязкости расплава, а также характер завис мости вязкости от температуры. Результаты численных расчетов нестационарного оплавления стетг лообразных материалов показали, что из всех физических параметров входящих в дифференциальные уравнения и граничные условия, на хо, зависимости скорости уноса массы от времени 6В (т) влияют лиш теплопроводность материала (рис. 8-10) и его плотность. Изменени всех остальных параметров приводит ЛИШЬ К ОТЛИЧИЯМ В УСТВПОВИВШИХСЯ Зиа- Рнс. П-1О. и»стан»опар»а» с»орос, у»оса массы материалов с раалаон1 чениях скорости оплавления 6В и темпе- теплопропоаностью. ратуре поверхности Т„(рис.
8-11,а — н) 1 — г.=ггк г — переменаа» теплопр Ца ПрЕдСтаВЛЕПНЫХ рИСуНКаХ ВЕЛИЧИНЫ С "'нюсь а=па"''В '+раз 1р1 индексом 0 приняты в качестве «эталон- '1' 1м'к' ' ср ь~ "~ы1~ ныхз и соотВетстВуют параметрам и Ре ныа парлант м-г,! ° 1о пвтлм . 1( зультатам основного варианта расчета, а а в к-е.в~.. - и ™ ~ диапазон изменения теплофизических свойств выбран с учетом их реальных отклонений.
Расчетами показано, что прн определении скорости оплавления можно пренебречь зависимостью теплоемкости от температуры, а использовать ее средне- цв интегральное значение с, которое вычисляется как 0,6 т Плавящиеся теплозащитиые покрытия отличие в плотностях может оказаться решающим, так как линей ная скорость оплавления о при прочих равных параметрах обратно пропорциональна величине р. Рис.
8ЛЬ Зависимость квазистаиионвряых значений температуры поверкностн и скорости упоев массы от теплофизических свойств стеклообразното материала. а — влияние М б — влияние с; в — влияние р 1нпаекс 0 соответствует основному варианту). -100 а) 0,7 Н 1,2 1,3 1,4 1,$1,0 б) Итак, остаются два параметра; теплопроводность Х и вязкость )е, знание которых с достаточной точностью является одним из необходимых условий достоверности расчета. К сожалению, опыты по их непосредственному определению до сих пор почти невозможны, ибо они 000 связаны с необходимостью достижения весьма высоких температур, Характеристики каазистациоиариого оиа превышающих ЗОООК. Поэтому большое значение приобретает анали конечных результатов экспериментов по аэродинамическому разруше', нию стеклообразных материалов. Примером такого анализа может слу4 жить проведенное в работе 1Л.
8-131 исследование, в котором исполь зованы данные опытов с оптическим кварцевым стеклом в установк с электродуговым подогревом. На рис. 8-1! и 8-12 иллюстрируется степень влияния отклонений в ве1 личине теплопроводности и вязкости на основные характеристики раз1 рушения. Интересно отметить, что неточность в определении величин Х и 14 сильно влияет на скорость уноса массы стз . Изменение вязкости 14 существенно влияет и на Т„, а вот варьирование в широких пределах коэффициента теплопроводности Л изменяет Т„лишь на несколько десятков градусов.
Отсюда возникает идея разбиения стеклообразных материалов на группы, исходя из их поведения при экспериментах в высокотемпературных аэродинамических установках. Если в процессе такого исследования наблюдаются значительные отклонения в величине температуры поверхности, то это говорит в первую очередь о возможных различиях в вязкости расплава. И наоборот, если у различных стеклопластиков температуры поверхности близки, а скорости уноса массы сильно разнятся, то причина кроется прежде всего в отличии коэффициентов теплопроводности.
Конечно, эти простейшие рекомендации позволяют оценить лишь порядок величин Х и 14, поскольку при постоянных параметрах набегающего потока разрушение различных марок стеклопластиков в определенной степени зависит от их химического 0.М 0,64 Ола 0,8 0,88 0,96 а) состава, количества газообразных продуктов термического разложения связующего и т.
д. Перейдем теперь к анализу зависимости параметров разрушения от условий в набегающем газовом потоке. Мы исключим пока из рассмотрения случаи совместного действия конвективного и радиационного йлавящнеся теплоаащнтные покрытия тепловых потоков, а в качестве набегающего газа рассмотрим воздух. Последнее ограничение не является сильным, поскольку, как было показано в предыдущем параграфе, химический состав внешнего потока для стеклообразных материалов важен лишь постольку, поскольку в нем может содержаться кислород, влияющий на степень диссоциации молекул двуокиси кремния (или других подобных окислов). Рнс.
8-12. Зависимость квазистаиионарных параметров разрушении и от ввзностн распнава стеклообразното материала, р-ехр — + О) . ) Т о — б =7(м)! б — Т =)(и)! о — Т =7(0)! з — О 7(0). Е ' и ' и ' Е 1,8 1.8 1,2 а,а О,7 а,4 а,о 0.4 0,0 а,о ),а б) а) ),г ),а 0.9 а,о оя 'оо )л )г ьа 'в)' 1,0 1,0 О, 1,7 2,1 г) При теоретическом изучении механизма разрушения теплозащитных материалов основное внимание уделяется окрестности точки торможения.
Для этого существует несколько причин. Первая состоит в том, что в ламинарном пограничном слое макси- 210 мум теплового потока приходится на окрестность точки торможения, а, Характеристики квазистационарного опла Т а б л и ц а 8-1. Диапазон изменения параметров внешнего обтекания ! М варианта расчета 1 — 5 Параметр н его размерность 5 — 10 ! П вЂ” 15 ) 15 — 20 6 †,31 1,66 — 0,098 0,49 — 0,03 0,16 — 0,009 Диапазон изменения коэффициента теплообмена (а/ср)о, кгг'(м'с) Давление заторможенного потока р, 10-', Па 0,01 10 1,0 О,! Начальное значение коэффициента теплообмена рассчитывалось согласно теории многокомпонентного ламичарного пограничного слоя на полусферическом затуплении с )0=7 1О-' м при давлении р,=105 Па и энтальпии торможения 7,=10000 кДж/кг.
Остальные приведенные в табл. 8-1 значения определялись по приближенной формуле (а/с )0 =- 0,132 3~ р,Я, обеспечивающей начальное значение коэффициента теплообмена при указанных выше параметрах (при этом предполагалось, что коэффициент теплообмена не зависит от энтальпии заторможенного потока). Влияние вдува паров на тепло- и массоперенос в пограничном слое учитывалось с помощью линейного приближения с постоянным коэффициентом пропорциональности 057с ) = (а/с ), — ТО следовательно, в этой области интенсивнее унос массы и меньше время установления квазистационарного режима разрешения, т. е.
сильнее проявляются различия в самом механизме разрушения материалов и в меньшей степени в характеристиках нестационарного прогрева, Вторая причина заключается в том, что величина теплового потока в окрестности точки торможения затупленного тела может быть рассчитана с хорошей точностью во всем интересующем практику диапазоне энтальпий заторможенного потока 7,.
И, наконец, немаловажно и то, что подавляющая масса экспериментальных исследований теплозащитных разрушающихся материалов относится именно к точке торможения или ее ближайшей окрестности, что связано с малыми размерами истекающих струй в современных высокотемпературных подогревателях. Ниже представлены результаты численных расчетов для следующих двадцати вариантов (табл. 8-1), объединенных в четыре гру1шы. Переход от одного варианта к другому в каждой группе соответствует уменьшению коэффициента теплообмена вдвое.
Это эквивалентно согласно теории теплообмена в ламинарном пограничном слое изменению радиуса кривизны тела гта в группе более чем в 250 раз. Плавящиеся теплпвящптпые пеярытпя (для ламинарного пограничного слоя у=0,6). Оценка величины силы трения производилась через аналогию Рейнольдса —" = (а/ср) 1,7 ( — '), причем градиент скорости е/и,/т/х зависел только от /7 и 1,. Распределение давления при обтекании полусферического тела задавалось в ньютоновском приближении р(х) =- р, соз' —, где х — продольная координата. Результирующие характеристики разрушения стеклообразных материалов являются итогом действия двух в известной мере взаимно противоположных процессов: с одной стороны, аэродинамические силы стремятся сдуть пленку расплава, с другой — рост теплового потока ведет к перегреву внешней поверхности пленки выше температур размягчения, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
